基于异步电动机稳态模型的变压变频调速

NskNsΦm
1 2
1Ns
k
NsΦ
m
代入上式，得
Te
3 2
np Ns2kN2sΦm2
Rr'2

（6-59）
令 s = s1 ，并定义为转差角频率；
Km
3 2
np
Ns2k
2 Ns
，是电机的结构常数；
则
Te
KmΦm2
Rr'2
s Rr' (s L'lr )2
当电机稳态运行时，s 值很小，因而
Rr' L'lr
Rr Llr
Te m ax
K mΦm 2 2L'lr
（6-62） （6-63）
在转差频率控制系统中，只要给s 限幅，
使其限幅值为
sm
smax
Rr Llr
（6-64）
就可以基本保持 Te与s 的正比关系，也就
可以用转差频率控制来代表转矩控制。这 是转差频率控制的基本规律之一。
上述规律是在保持m恒定的前提下才成 立的，于是问题又转化为，如何能保持m
所谓“通用”，包含着两方面的含义： （1）可以和通用的笼型异步电机配套使用； （2）具有多种可供选择的功能，适用于各种
不同性质的负载。
系统介绍 图6-37绘出了一种典型的数字控制通用
变频器-异步电动机调速系统原理图。
1. 系统组成
K
UR
RR00
RR11
RRbb
UI
~
M 3~
RR22
VTb
显示
单
主电路（续）
泵升限制电路——由于二极管整流器不能为异 步电机的再生制动提供反向电流的通路，所以 除特殊情况外，通用变频器一般都用电阻吸收 制动能量。减速制动时，异步电机进入发电状 态，首先通过逆变器的续流二极管向电容C充 电，当中间直流回路的电压（通称泵升电压） 升高到一定的限制值时，通过泵升限制电路使 开关器件导通，将电机释放的动能消耗在制动 电阻上。为了便于散热，制动电阻器常作为附
件单独装在变频器机箱外边。
主电路（续）
进线电抗器 ——二极管整流器虽然是全波整流 装置，但由于其输出端有滤波电容存在，因此 输入电流呈脉冲波形，如图6-38所示。
图6-38 三相二极管整流电路的输入电流波形
这样的电流波形具有较大的谐波分量， 使电源受到污染。
为了抑制谐波电流，对于容量较大的 PWM变频器，都应在输入端设有进线电抗 器，有时也可以在整流器和电容器之间串 接直流电抗器。还可用来抑制电源电压不 平衡对变频器的影响。
控制电路（续）
PWM信号产生——可以由微机本身的软件产生， 由PWM端口输出，也可采用专用的PWM生成电 路芯片。
检测与保护电路——各种故障的保护由电压、电 流、温度等检测信号经信号处理电路进行分压、 光电隔离、滤波、放大等综合处理，再进入A/D 转换器，输入给CPU作为控制算法的依据，或者 作为开关电平产生保护信号和显示信号。
定，也就是保持 m 恒定。这是转差频率 控制的基本规律之二。
总结起来，转差频率控制的规律是：
（1）在 s ≤ sm 的范围内，转矩 Te 基本上 与 s 成正比，条件是气隙磁通不变。
（2）在不同的定子电流值时，按上图的函
数关系 Us = f (1 , Is) 控制定子电压和频率
，就能保持气隙磁通m恒定。
然而，它的静、动态性能还不能完全达到 直流双闭环系统的水平，存在差距的原因 有以下几个方面：
性能评价（续）
（1）在分析转差频率控制规律时，是从异 步电机稳态等效电路和稳态转矩公式出发 的，所谓的“保持磁通 m恒定”的结论也 只在稳态情况下才能成立。在动态中 m如 何变化还没有深入研究，但肯定不会恒定， 这不得不影响系统的实际动态性能。
s也很小，只有1的百分之几，可以认
为 s Llr' << Rr' ，则转矩可近似表示为
Te
KmΦm2
s
Rr'
（6-61）
式（6-61）表明，在s 值很小的稳态运
行范围内，如果能够保持气隙磁通m不变，
异步电机的转矩就近似与转差角频率s 成 正比。这就是说，在异步电机中控制s ，
就和直流电机中控制电流一样，能够达到
电路分析（续）
控制电路——现代PWM变频器的控制电路 大都是以微处理器为核心的数字电路，其 功能主要是接受各种设定信息和指令，再 根据它们的要求形成驱动逆变器工作的 PWM信号，再根据它们的要求形成驱动逆 变器工作的PWM信号。微机芯片主要采用 8位或16位的单片机，或用32位的DSP，现 在已有应用RISC的产品出现。
设定
片
机
接口
电压 泵升 电流 检测 限制 检测
温度 电流 检测 检测
PWM 发生器
驱动 电路
2. 电路分析
主电路——由二极管整流器UR、PWM逆 变器UI和中间直流电路三部分组成，一般 都是电压源型的，采用大电容C滤波，同 时兼有无功功率交换的作用。
主电路（续）
限流电阻：为了避免大电容C在通电瞬 间产生过大的充电电流，在整流器和滤 波电容间的直流回路上串入限流电阻 （或电抗），通上电源时，先限制充电 电流，再延时用开关K将短路，以免长 期接入时影响变频器的正常工作，并产 生附加损耗。
如果要求更高一些的调速范围和起制动 性能，可以采用转速闭环转差频率控制的 方案。
本节中将分别介绍这两类基于稳态数学模 型的变压变频调速系统。
6.5.1 转速开环恒压频比控制调速系统—— 通用变频器-异步电动机调速系统
概述 现代通用变频器大都是采用二极管整流
和由快速全控开关器件 IGBT 或功率模块 IPM 组成的PWM逆变器，构成交-直-交电 压源型变压变频器，已经占领了全世界 0.5~500KVA 中、小容量变频调速装置的 绝大部分市场。
恒定？我们知道，按恒 Eg/1 控制时可保
持m恒定。在上图的等效电路中可得：
U s
Is (Rs
j1Lls )
Eg
Is (Rs
j1Lls
)
Eg
1
1
（6-65）
由此可见，要实现恒 Eg/1控制，须在 Us/1 = 恒值的基础上再提高电压 Us 以补
偿定子电流压降。
如果忽略电流相量相位变化的影响，不同
• 电力传动的基本控制规律
我们知道，任何电力拖动自动控制系统 都服从于基本运动方程式
Te
TL
J np
d
dt
提高调速系统动态性能主要依靠控制转速
的变化率 d / dt ，根据基本运动方程式， 控制电磁转矩就能控制 d / dt ，因此，归
根结底，调速系统的动态性能就是控制转 矩的能力。
在异步电机变压变频调速系统中，需
画在下图，
Te
Temax Tem
0
sm smax
s
图6-40 按恒Φm值控制的 Te=f (s ) 特性
可以看出：
在s 较小的稳态运
行段上，转矩 Te基
本上与s 成正比，
当Te 达到其最大值
Temax 时，s 达到 smax值。
对于式（6-12），取 dTe / ds = 0 可得
smax
补偿方法
实现补偿的方法有两种：
一种是在微机中存储多条不同斜率和折线段的 U / f 函数，由用户根据需要选择最佳特性；
另一种办法是采用霍耳电流传感器检测定子电 流或直流回路电流，按电流大小自动补偿定子 电压。但无论如何都存在过补偿或欠补偿的可 能，这是开环控制系统的不足之处。
控制电路（续）
给定积分——由于系统本身没有自动限制起制动 电流的作用，因此，频定设定信号必须通过给定 积分算法产生平缓升速或降速信号，升速和降速 的积分时间可以根据负载需要由操作人员分别选 择。
定子电流时恒 Eg/1 控制所需的电压-频率 特性 Us = f (1, Is) 如下图所示。
Us
Eg/1=Const.
Us /1=Const.
定子电流增大的趋势
O
1
图6-41 不同定子电流时恒控制所需的电压-频率特性
上述关系表明，只要 Us 和1及 Is 的关 系符合上图所示特性，就能保持 Eg/1 恒
本节提要
转速开环恒压频比控制调速系统——通 用变频器-异步电动机调速系统
转速闭环转差频率控制的变压变频调速 系统
引言
直流电机的主磁通和电枢电流分布的空 间位置是确定的，而且可以独立进行控制， 交流异步电机的磁通则由定子与转子电流 合成产生，它的空间位置相对于定子和转 子都是运动的，除此以外，在笼型转子异 步电机中，转子电流还是不可测和不可控 的。因此，异步电机的动态数学模型要比 直流电机模型复杂得多，在相当长的时间 里，人们对它的精确表述不得要领。
PWM电压型逆变器，即得异步电机调速所
需的变压变频电源。
• 性能评价
式（6-66）所示的转差角频率 s*与实测转 速信号 相加后得到定子频率输入信号 1* 这
一关系是转差频率控制系统突出的特点或优
点。它表明，在调速过程中，实际频率1随 着实际转速 同步地上升或下降，有如水涨
而船高，因此加、减速平滑而且稳定。
综上所述，PWM变压变频器的基本控制 作用如图6-39所示。近年来，许多企业不 断推出具有更多自动控制功能的变频器， 使产品性能更加完善，质量不断提高。
控制电路（续）
工作频 升降速 率设定 时间设定
电压补偿设定
PWM产生
斜坡函数
f*
t
U / f 曲线
u f
脉冲发生器
f
驱动
u
电路
图6-39 PWM变压变频器的基本控制作用
频率控制——转速调节器ASR的输出信号
是转差频率给定 s* ，与实测转速信号 相加，即得定子频率给定信号 1* ，即
s* 1*
（6-66）
电压控制——由 1和定子电流反馈信号 Is 从微机存储的 Us = f (1 , Is) 函数中查得定 子电压给定信号 Us* ，用 Us* 和 1* 控制
在交流异步电机中，影响转矩的因素较多， 控制异步电机转矩的问题也比较复杂。
按照第6.2.2节恒 Eg /1 控制（即恒 m 控
制）时的电磁转矩公式（6-12）重写为
Te
3np
Eg
1
2
Rr'2
s1Rr'
s
2 2 1
L'l2r
（6-12）
将 Eg
4.44
f1 N s k NsΦ m
4.44
1
2π
6.5.2 转速闭环转差频率控制的变压变频 调速系统
0. 问题的提出
前节所述的转速开环变频调速系统可以 满足平滑调速的要求，但静、动态性能都 有限，要提高静、动态性能，首先要用转 速反馈闭环控制。转速闭环系统的静特性 比开环系统强，这是很明显的，但是，是 否能够提高系统的动态性能呢？还得进一 步探讨一下。
好在不少机械负载，例如风机和水泵， 并不需要很高的动态性能，只要在一定范 围内能实现高效率的调速就行，因此可以 只用电机的稳态模型来设计其控制系统。
异步电机的稳态数学模型如本章第6.2节 所述，为了实现电压-频率协调控制，可以 采用转速开环恒压频比带低频电压补偿的 控制方案，这就是常用的通用变频器控制 系统。
要控制的是电压（或电流）和频率，怎样 能够通过控制电压（电流）和频率来控制 电磁转矩，这是寻求提高动态性能时需要 解决的问题。
1. 转差频率控制的基本概念
直流电机的转矩与电枢电流成正比，控 制电流就能控制转矩，因此，把直流双闭 环调速系统转速调节器的输出信号当作电 流给定信号，也就是转矩给定信号。
控制电路（续）
信号设定——需要设定的控制信息主要有：U/f 特性、工作频率、频率升高时间、频率下降时间 等，还可以有一系列特殊功能的设定。由于通用 变频器-异步电动机系统是转速或频率开环、恒 压频比控制系统，低频时，或负载的性质和大小 不同时，都得靠改变 U / f 函数发生器的特性来补 偿，使系统达到恒定，甚至恒定的功能（见第 6.2.2节），在通用产品中称作“电压补偿”或 “转矩补偿”。
性能评价（续）
同时，由于在动态过程中转速调节器
ASR饱和，系统能用对应于 sm 的限幅转
矩Tem 进行控制，保证了在允许条件下的快 速性。
性能评价（续）
由此可见，转速闭环转差频率控制的交 流变压变频调速系统能够象直流电机双闭 环控制系统那样具有较好的静、动态性能， 是一个比较优越的控制策略，结构也不算 复杂。
间接控制转矩的目的。
控制转差频率就代表控制转矩，这就 是转差频率控制的基本概念。
2. 基于异步电机稳态模型的转差频率控制规律
上面分析所得的转差频率控制概念是在
转矩近似公式（6-61）上得到的，当s 较
大时，就得采用式（6-12）的精确转矩公 式，把这个转矩特性（即机械特性）
Te f (s )
3. 转差频率控制的变压变频调速系统 系统组成 控制原理 性能评价
•系统组成
Is
s
ASR
1
U
s
U
sa
电
PWM
U
sb
压 型
M
1
U
sc
逆 变
3~
器
FBS
图6-42 转差频率控制的转速闭环变压变频调速系统结构原理图
• 控制原理
实现上述转差频率控制规律的转速闭环 变压变频调速系统结构原理图如图所示。